《内燃机学 第5版》 课件全套 第1-11章 概论、内燃机的性能指标 -内燃机的概念设计

内燃机学第一章概论

Introduction第一节内燃机简史第二节中国内燃机工业发展简史第三节内燃机的典型构造与技术主要学习内容第一节内燃机发展简史HistoryofICEngine内燃机内燃机的发明与发展内燃机燃料的发展内燃机的成功之路主要学习内容热机(HeatEngine)内燃机INTERNALCOMBUSTIONENGINE各种变热能为机械能的机器的统称。燃料在机器内部燃烧释放热能推动活塞对外做功的热机。点燃式内燃机（汽油及其代用燃料）压燃式内燃机（柴油及其代用燃料）内燃机(ICEngine)内燃机的发明与发展Invention&DevelopmentofICEngine1860莱诺依尔大气压力式内燃机1876奥托四冲程点燃式内燃机1890奔驰二冲程内燃机1892狄塞尔四冲程压燃式内燃机1957汪克尔转子发动机┆现代内燃机1907美国路易斯•雷诺（LouisRenault）

机械增压发动机1915瑞士阿尔弗雷德•波希(AlfredBuchi)排气涡轮增压发动机现代内燃机增压技术：增压压力、温度、流量排气温度、涡轮转速增压器电子控制技术内燃机增压技术的发展大气压力式内燃机莱诺依尔（J.J.E.Lenoir)

Otto-Langen发动机NicolausA.Otto(1832-1891)

RudolfDiesel(1858-1913)

现代奥迪W12发动机煤气。1900年之后，原油中的轻镏分汽油。威廉•伯尔顿（WilliamBurton）发明了重油热解技术。通用汽车公司发明了四乙铅抗爆添加剂，1923年美国开始用作汽油抗爆添加剂。尤金•荷德莱（EugeneHoudry）发明了催化裂化法，既提高了汽油的产量，同时使汽油获得越来越好的抗爆性。内燃机燃料的进步FuelsforICEngines现代内燃机技术的发展ModernICEngines动力性的不断提高经济性的不断改善有害排放的趋零汽油机的技术进步

（1）基本型:1.6L,直列4缸，自然吸气，进气道喷

射，1372kg，6档-手动变速器（2）缩缸强化（包括使用两级增压）下降12%（3）可变气门机构下降8%（4）降低摩擦损失，优化热管理下降3%（5）应用高辛烷值燃料如E85下降2%（6）7档自动变速器下降2%（7）并联混合动力下降10%2019年车队燃油耗目标值为95g/km汽油机CO2排放的降低高速柴油机的技术进步（1）2.0L直喷式柴油机，6档手动变速器，1590kg（2）缩缸强化：从2L到1.6L；采用技术的说明。下降8%（3）减轻自重75kg下降3%（4）起动-停车系统和发电机管理系统下降7%（5）低压EGR下降1.5%（6）热管理系统（分开式循环冷却和全特性曲线场恒温）下降2%（7）降低摩擦下降3.5%（8）降低转速下降2.5%柴油机CO2排放的降低排放机理的研究排放法规的建立高效排放后处理系统高效排放后处理系统Roadvehicles:Off-roadvehicles:Railroad:Marine:Stationary:SmallEngines:Aircrafts广泛应用内燃机的成功之路SuccessesofICEngines成功之源LowcostdensityHighpowerdensityRobustandversatileWellmatchedtocheapavailablehighenergydensitypetroleum-basedfuelsEfficientenoughMetemissionsregulationstodate18第二节中国内燃机工业发展简史BriefIntroductionofChinaICenginedevelopment

内燃机工业的起步发展阶段（1908－1949）内燃机工业的初级发展阶段（1950－1979）主要学习内容内燃机工业的快速发展阶段（1980－)19内燃机工业的起步发展阶段（1908－1949）

Foundation&ElementaryDevelopmentPeriod1901：上海出现由外国人带入的汽车，外国生产的内燃机作为商品也开始进入我国口岸。1908～1924：我国制造压缩着火四冲程低速柴油机。1929～1939：高速柴油机1949生产能力为7000kW左右，1908～1949累计生产内燃机不足14万kW。1949后：上海柴油机厂试制成功110系列柴油机天津动力机厂研制成功4146柴油机上海与天津建立油泵油嘴生产点1956年长春第一汽车制造厂和南京汽车厂建立201957年全国产量达到50万千瓦，内燃机工业已初具规模。

车船工程机械用135系列柴油机,由仿制到自行设计,到批量生产;农业机械：洛阳第一拖拉机厂、天津拖拉机厂、北京内燃机总厂及65、75、95系列多种小型机等大功率柴油机：12V180、6250Z、6300；1966年文化大革命开始内燃机工业停滞。内燃机工业的初级发展阶段（1950－1979）InfantileDevelopmentPeriod211979年十一届三中全会后，内燃机工业进行了一系列调整整顿工作，为我国内燃机工业快速发展奠定了基础。引进、消化、吸收，我国内燃机工业全面快速发展。3大汽车公司＋广汽奇瑞、长安……载重汽车、客车（发动机：潍柴、锡柴、玉柴、云南动力…）农用车2000年起汽油车实施国Ⅰ排放标准，推动了我国汽油机电控喷射和三效催化后处理装置的应用。2016年，京6与国6之争，标志着我国的车用发动机的排放标准已基本与国际接轨。内燃机工业的快速发展阶段（1980－）FastDevelopmentPeriodAutomobileEnterprises一汽、二汽、上汽、广汽、北汽长安、奇瑞、江淮、比亚迪、吉利、长城重型汽车：中国重汽、陕汽、福田、北奔等轻型载重汽车（农用车）：客车：宇通、金龙等EngineManufacturers潍柴vs玉柴上柴：上海柴油机厂（上汽）锡柴：无锡柴油机厂(一汽)大柴、朝柴(一汽)云内动力：云南内燃机总厂康明斯发动机（多家）全椒柴油机厂、常州柴油机厂等615、616、617、华柴等407、408、宁波中策摩托车和通用小型汽油机24第三节内燃机的典型构造TypicalICEnginesandTechnologies主要学习内容车用柴油机车用汽油机25二冲程汽油机TwoStroke

SIEngines26优点:结构简单、零件数少，每缸仅有3个运动零件—活塞、连杆、曲轴；升功率比四冲程高，因为做功次数为四冲程机的一倍；小型轻便的动力装置。缺点：扫气损失大；未燃碳氢排放量高；燃油、润滑油消耗量大。二冲程汽油机TwoStroke

SIEngines27仅有两个主要运动零件，即三角形转子与偏心轴。转子转动时通过缸体中的进、排气孔（有时铸在端盖中）换气，燃烧室由缸体与转子表面型线构成。优点：

结构简单、紧凑、零部件少，平衡性好，噪声振动小，高升功率和单位质量功率，高速性能好。缺点：

燃烧室面容比大，燃油消耗率高，HC排放高，低速性能差。汪克尔转子发动机RotatoryEngine2829基本没有独立的车用汽油机的生产企业。各企车一般配套自己的发动机，以方便整车传动系统的调校和性能开发。车用汽油机SIEngines感谢长安汽车提供的车用汽油机的结构与性能资料301.进气道喷射汽油机312.缸内直喷汽油机323.混合动力汽油机33车用柴油机CIEngines与车用汽油机相反，独立的柴油机企业较多，如潍柴、玉柴、云内动力等等，提供乘用车、商用车、非道路等车辆配套使用，其排放性能已国Ⅳ，国VI的也也已完成开发。感谢潍柴、玉柴、云内动力提供的车用柴油机的结构与性能资料34云内动力D19TCI柴油机

35WP10潍柴柴油机

36YC6K12玉柴柴油机

第二章内燃机的性能指标ENGINE

OPERATINGPARAMETERS主要学习内容2.3机械效率与机械损失2.1示功图与指示性能指标2.2有效性能指标2.4提高内燃机的动力性与经济性第一节示功图与指示性能指标示功图

指示性能指标PressureDiagramandIndicatedParameters主要学习内容利用不同形式的示功器或内燃机数据采集系统来观察或记录相对于不同活塞位置或曲轴转角时气缸内工质压力的变化，所得的结果即为p-V示功图或p-φ示功图。示功图PressureDiagram

内燃机缸内压力数据采集系统上止点

气缸压力

进气行程压缩行程燃烧膨胀行程排气行程下止点

上止点

下止点

曲轴转角/(º)CA0180360540720p－V

压力示功图p-VDiagram指示性能指标IndicatedParametersParametersthatarebasedontheworkdeliveredfromthegastothepistonovertheentirecycle.以缸内气体工质对活塞做功为基础的性能指标。

活塞完成一个工作循环所获得有用功（Wi）。指示功的大小可以由p-V图中闭合曲线所占有的面积求出。+F1F2一、指示功IndicatedWork四冲程非增压发动机的示功图jPumpingWork:Intake&ExhauststrokeGrossandPumpingWorkGrosswork:WorkdoneinCompression&Expansionstroke平均指示压力是指单位气缸容积一个循环所做的指示功.

二、平均指示压力(imep)平均指示压力是一个假想不变的平均压力作用在活塞上使活塞移动一个行程所做的功等于这个循环的指示功。平均指示压力是从循环的角度评价发动机气缸工作容积利用率高低的一个参数。pmip0三、指示功率IndicatedPowerτ：冲程数。四冲程内燃机,τ=4;二冲程内燃机,τ=2单位时间内燃机所做的指示功。四、指示热效率IndicatedThermalEfficiency发动机的指示功与燃料热量的比值。单位指示功的燃油消耗量。五、指示燃油消耗率isfc指示性能指标之间的关系第二节有效性能指标内燃机的功率和转矩有效性能指标EffectiveParameters主要学习内容内燃机的功率和转矩

EnginePowerandTorqueAirconsumptionrateenginedynamometerFuelconsumptionratetorqueEnginespeedemissions(W)(kW)有效性能指标EffectiveParametersEffectiveParametersthatarebasedontheworkoutputfromcrankshaft.以发动机曲轴输出功为基础的性能指标。

平均有效压力反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。有效平均压力Brakemeaneffectivepressure,bmep/BMEP升功率从发动机有效功率的角度对气缸工作容积的利用率作出的总评价标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。从n

和bmep

两方面反映了发动机的强化程度。升功率VolumetricPower有效热效率和有效燃油消耗率BrakeThermalEfficiency,BTEBrakespecificfuelconsumption,BSFC第三节机械效率与机械损失机械效率机械损失低摩擦技术EngineFrictionandMechanicalEfficiency主要学习内容IMPORTANCEBRAKEMEASUREScylinderpressureCrankshaftTorqueTtqINDICATEDMEASURESmechanicalefficiency机械效率MechanicalEfficiency内燃机机械效率大致范围非增压柴油机0.78～0.85增压柴油机0.80～0.92汽油机0.80～0.90机械损失MechanicalLosses活塞和活塞环的摩擦损失 45%~65%整个活塞连杆曲轴机构中的摩擦损失60%~70%气门机构的驱动损失2%~3%附属机械的驱动损失10%~20%泵气损失10%~20%1.缸套与活塞及环组的摩擦损失活塞裙部及环岸与气缸套之间的摩擦损失活塞环组与气缸套之间的摩擦损失影响因素：活塞运动速度：Cm润滑状态：液体润滑、边界润滑、干摩擦缸内压力：活塞侧推力、环间压力活塞形状及表面特性润滑油2.轴承的摩擦损失主轴承连杆轴承活塞销凸轮轴轴承其他各种轴承影响因素：流体润滑状态轴径圆周速度轴心轨迹3.流体摩擦损失连杆等往复运动件与空气、油雾等之间的摩擦损失。曲轴等旋转运动件与空气、油雾等之间的摩擦损失。特点:

数值较小。4.驱动附件机构的功率消耗气门及配气机构冷却水泵、机油泵、燃油泵喷油泵、调速器正时齿轮发电机、空压机、空调压缩机冷却风扇5.驱动扫气泵及增压器的损失扫气泵功耗：二行程发动机机械增压发动机机械损失随转速的变化a－泵气损失

b－活塞及环组摩擦损失

c－气门机构驱动损失d－附属机构驱动损失

e－连杆轴承摩擦损失

f－凸轮轴承摩擦损失泵气损失四冲程发动机在进气和排气过程气体流动阻力所造成的功的损失。泵气损失归于机械损失。机械损失的测定MeasurementofMechanicalLosses示功图法倒拖法油耗线法灭缸法1.示功图法仪器测录发动机气缸内的压力示功图，从中计算Pi值测量发动机转矩和转速，计算发动机的有效功率Pe

计算Pm=Pi+Pe，计算机械效率误差：活塞上止点、多缸不均匀性设备：发动机试验设备、示功图测量设备等适应性：任何发动机2.倒拖法（Mortoring）发动机运行至正常试验状态，倒拖转换测量给定转速发动机的倒拖功率：机械损失功率误差：缸内压力下降，摩擦损失减少；包含了泵气损失；传热损失。实际结果偏高。设备：电力测功器适应性：低压缩比汽油机3.灭缸法(Morsetest)稳态工况，测量有效功率Pe；灭缸并恢复转速，测量有效功率Pe’；重复；计算

误差：同倒拖，但误差较倒拖小。设备：多缸机，测功机适应性：非增压柴油机4.油耗线法(Willansline)中低负荷下的负荷特性试验作图（燃油流量与负荷的关系）直线外延至横坐标，交点值即为平均机械损失功率或压力误差：基于ηit不变，误差较小。设备：一般适应性：不适用于节气门调节功率的汽油机5.测量方法比较Comparison倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，不适用于大功率发动机，而较适用于测定压缩比不高的汽油机的机械损失。对于非增压或排气涡轮增压柴油机(pb<0.15MPa)，只能用示功图法、油耗线法来测定机械损失。对于排气涡轮中增压、高增压的柴油机(pb≥0.15MPa)，除示功图外，尚无其他适用的方法。对于4冲程发动机，除示功图法外，其他测量方法尚无法排除泵气功。内燃机低摩擦技术MeasurementofMechanicalLosses低摩擦活塞组技术

活塞裙部非对称主副推力面、椭圆形状、二道环密封结构及活塞环的结构优化设计、缸套及活塞的热变形控制、表面涂层技术等。低摩擦轴承技术

优化连杆大头和小头及主轴承的设计，如减小轴颈、轴承宽度和配合间隙等。采用滚动轴承设计的气门驱动摇臂轴承和凸轮轴轴承等。润滑剂及表面处理技术

采用合适粘度的多级润滑油；改进运动副表面加工技术和涂层材料和涂覆技术等。第四节提高内燃机的动力性和经济性内燃机动力经济性指标的推算提高内燃机动力经济性指标的途径BoostingEnginePerformance主要学习内容按吸入空气量计算发动机的性能指标1、由发动机的基本结构参数计算排量Bore*Stroke,B*SCylindernumber,iThen,thedisplacement,Vs2、由充量系数计算吸入空气量VolumetricEfficiency:ΦcGasstateinport:ps,TsThen,theinductionairmassisStoichiometricA/Fratio:l0A/Fexcessiveratio:ΦaThen,themassoffuelburnedpercycle3、由过量空气系数计算循环燃油量LowerHeatingValue:HuThan,heatreleasedbyfuelburning4、计算每循环燃烧放热量IndicatedThermalefficiency:ηitEngineSpeedandstrokeNo:n(r/min),τThen,theindicatedworkdone5、由指示热效率计算指示性能指标MechanicalEfficiency:ηmThen,thebrakepower6、由机械效率计算有效性能指标Byintroducingbackward,therelationshipcanbedeveloped.7、按吸入空气量计算发动机的性能指标8、发动机的动力性的重要指标有效功率

平均有效压力

9、发动机的经济性的重要指标=

有效热效率有效燃油消耗率。

提高内燃机的动力性经济性的方法采用增压中冷技术：ρs合理组织燃烧过程：ηit

、фa改善换气过程：фc

；ηm提高发动机的转速：n提高内燃机的机械效率：ηm

采用二冲程提高升功率：τ3.1内燃机的理论循环 3.2内燃机的实际循环3.3四冲程内燃机的换气过程3.4提高内燃机的循环效率3.5内燃机的增压

第三章内燃机的工作循环ENGINEOPERATINGCYCLES主要学习内容第一节内燃机的理论循环内燃机的理论循环理论循环效率的比较IdealEngineCycles主要学习内容1）以空气为工质，并视为理想气体，在整个循环中工质物理及化学性质保持不变，比热容为常数。Idealgas2）把压缩和膨胀过程简化成理想的绝热等熵可逆过程，忽略工质与外界的热量交换及其泄漏对循环的影响。Thermodynamicengine3）将燃烧过程简化为等容、等压或混合加热过程，将排气过程简化为等容放热过程。IdealHeatingProcess4）忽略发动机进排气过程，将实际的开口循环简化为闭口循环。一、发动机实际工作过程的基本假设四冲程内燃机的理论循环

4StrokeEngineIdealCycles

(a)等容加热循环(b)等压加热循环(c)混合加热循环二、四冲程内燃机的理论循环IdealcyclethermalefficiencyCyclemeaneffectivepressure提高压缩比增大压力升高比减小初期膨胀比发动机的热效率和发动机的运转参数及燃烧室结构型式无关三、理论循环分析1、提高循环热效率的分析增压、中冷、扩缸等，增加循环供油量提高发动机的热效率提高压缩比，增大压力升高比减小初期膨胀比2、提高循环动力性的分析3、不同循环效率的比较s

压缩比和加热量相同时的比较3、不同循环效率的比较最高压力和温度相同时的比较简化内燃机的实际工作过程阐明各基本热力参数间的关系，明确提高以理论循环热效率为代表的经济性和以循环平均压力为代表的动力性的基本途径。确定循环热效率的理论限值，以判断实际内燃机工作过程的经济性和循环进行的完善程度以及改进潜力。有利于比较内燃机各种热力循环的经济性和动力性。发动机理论循环的意义发动机理论循环的应用条件理论上能够提高内燃机循环热效率和平均压力的措施，往往受到内燃机实际工作条件的限制。1、结构强度的限制2、机械效率的限制3、燃烧方面的限制4、排放方面的限制第二节内燃机的实际循环主要学习内容RealEngineCycle内燃机的实际循环实际循环的损失内燃机的实际循环RealEngineCycleIdealgasThermodynamicengine(iso-entropy,reversible)idealheatingprocessesNopumpinglossesrealgasheattransfer,irreversiblerealcombustionheatreleasepumpingloss实际循环损失DifferencesofRealCycle与理论循环相比，内燃机的实际循环存在着以下损失。工质造成的损失传热损失换气损失燃烧损失一、工质的影响EffectofGases实际气体，比热容、比热比在整个循环过程中随温度而变。工质的成分和质量燃烧前后不断变化。燃烧产物还存在着高温分解及在膨胀过程中的复合放热现象。二、传热损失EffectofHeatTransfer 与工质直接接触的缸套内壁面活塞顶面气缸盖火力面等始终与工质发生着热量交换。三、换气损失EffectofGasExchange排气门提前开启造成膨胀功减少。活塞强制排气的推出功。流动阻力损失造成吸气负功。四、燃烧损失EffectofCombustion 加热方式非等容条非等压，燃烧放热速度有限造成：早燃造成压缩负功损失燃烧放热速度有限造成最高压力和温度下降后燃造成膨胀功减少及不完全燃烧107内燃机的换气损失内燃机换气过程

主要学习内容第三节四冲程内燃机的换气过程Gasexchangeprocessesin4strokeengine1081：进气行程

2：压缩行程

3：膨胀行程

4：排气行程

换气过程概述

INTRODUCTION109

一、配气相位与低压p-V示功图排气门开启进气门关闭进气门打开排气门关闭Valvetimingandp-VdiagramInletValveOpenExhaustValveOpenInletValveCloseExhaustValveClose110二、气门升程与低压p－示功图排气门升程进气门升程气缸压力Valveliftandp-diagram111排气过程EXHAUSTINGPROCESS

（EVOEVC）

12EVOBDC自由排气BDCTDC强制排气TDCEVC扫气112按燃气对活塞的作用：

自由排气和强制排气(Blowdownanddisplacement)按排气流动的性质：

超临界流动和亚临界流动(Criticalandsubcriticalflow)超临界状态排气的流量只取决于缸内气体状态和排气门有效流通面积的大小。亚临界流动阶段排气的流量不仅与排气门的有效流动截面有关，还与缸内和排气管内气体的压差有关。一、排气过程(EXHAUSTING)113二、排气提前角(EXHAUSTADVANCING)

排气门在膨胀冲程到达下止点前的某一曲轴转角位置提前开启的角度。

增加排气流通面积（时面值or角面值），减少排气冲程所消耗的活塞推出功。

作用

定义

选择114排气门在上止点后关闭的角度。三、排气门迟闭角(EXHAUSTLAG)

定义避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的增加，使缸内的残余废气量增加。利用排气管内气体流动的惯性从气缸内抽吸一部分废气，实现过后排气。3.扫气作用。

作用

选择115进气过程INDUCTIONPROCESS（IVOIVC）

34IVOTDC进气扫气TDCBDC吸气BDCIVC过后进气116一、进气过程(INDUCTION)从进气门开启到关闭内燃机吸入新鲜充量的整个过程称为进气过程。

定义117二、进气提前角(INTAKEADVANCING)

为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气上止点前提前开启的角度。

作用

定义增加进气流通面积（时面值or角面值）,提高充量系数。

选择118

利用在进气过程中形成的气流惯性，实现向气缸的过后充气，增加缸内充量。三、进气门迟闭角(INTAKELAG)

为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气下止点后，推迟关闭的角度。

作用

定义

选择119（IVOEVC）

32气门叠开和燃烧室扫气过程一、气门叠开(OVERLAP)从进气门开启到排气门关闭这段曲轴转角内，出现进排气门同时开启的现象。OVERLAPandSCAVEGING120二、气门叠开角(OVERLAPPERIOD)气门叠开所对应的曲轴转角。

气门叠开角的选择121三、扫气作用(SCAVEGING)

有利于扫除缸内的残余废气，增加进入气缸的新鲜充量。可用新鲜充量降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度以及排气的温度。122123正气门重叠和负气门重叠

POSITIVE&NEGATIVEOVERLAP排气门在上止点前数十度曲轴转角就提前关闭，使相当一部分废气不能排出气缸而成为残余废气。进气门打开的时间被推迟到上止点后直至缸内压力下降至大气压这样进排气阀打开的时间不再重叠，反而有相当大的间隔，称为负的气阀重叠。负气门重叠(虚线)正气门重叠(实线)在上止点进气门和排气门同时开启，有利于增加新鲜充量和进行燃烧室扫气。

124一、自然吸气内燃机的换气过程

GasexchangingProcessinNaturalAspiredEngine理论循环换气过程：

排气门在下止点打开，没有膨胀损失进排气行程缸内压力与大气压力相等，因而也没有泵气损失。实际循环换气过程：

1.膨胀损失W2.推出损失X3.吸气损失Y自然吸气内燃机实际换气过程换气损失INTRODUCTION125理论换气过程：排气门在下止点打开，没有膨胀损失排气行程沿pT,进气行程沿pb换气过程获得矩形面积所示的功。实际换气过程：换气损失为面积W+X+Y换气过程所获得的换气功为矩形的面积与换气损失之差。换气功小于理论换气功值。二、增压内燃机的换气过程

GasexchangingProcessinSuperchargedEngineATTENTION:增压机并不总是获得正的泵气功126构成

1.排气过程损失

膨胀损失+推出损失

2.进气过程损失

换气损失LOSTWORK与理论循环相比，实际循环的在换气过程中所产生的功的损失。定义127一、膨胀损失（EXPANSIONWORKLOSS）

从排气门提前开启到下止点这一时期，由于提前排气造成了缸内压力下降，使膨胀功减少.128

二、推出功损失(DISPLACEMENTWORK)活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功。129三、排气损失(DISCHARGINGLOSSES)膨胀损失和推出损失二者之和。130四、排气提前角和转速对排气损失的影响EFFECTSONEXCHANGINGLOSSES

发动机的转速增加，相同的排气提前角所对应的排气时间就变短，通过排气门排出的废气量减少，膨胀损失减少，但缸内压力水平提高，因而活塞推出损失大大增加。131五、进气损失（INTAKINGLOSS）

由于进气道、进气门等处存在流动阻力损失，在大部分曲轴转角内发动机的缸内压力低于大气压力线（图b）或增压压力线（图d），从而造成循环有用功的减少。132六、换气损失随内燃机转速的变化1.进气损失明显小于排气损失。

2.进气损失影响充量系数，因而对发动机的性能影响更大。133一、泵气过程PumpingProcesses泵气功与泵气损失PUMPINGWORK&LOSSES强制排气行程排气下止点至上止点吸气行程吸气上止点至下止点134自然吸气内燃机：

增压内燃机

：二、理想循环的泵气功与泵气损失Idealcyclepumpingworkandlosses135三、实际循环中的泵气功与泵气损失自然吸气内燃机

:增压内燃机

:Realcyclepumpingworkandlosses136

第四节提高内燃机的循环效率提高循环效率的方法提高效率的工程实践主要学习内容IMPROVEMENTofCYCLICEFFICIENCY提高压缩比增大压力升高比减小初期膨胀比/增加膨胀比增加比热比提高内燃机循环的热效率提高燃烧速度，减少不完全燃烧损失。减少传热损失。减少换气损失。提高热效率之工程实践可变配气系统增压小型化技术内容庞杂，无以概全。139可变配气系统减少泵气损失提高充量系数，提高动力性降低排放140可变配气系统141增压小型化增压小型化汽油机增压小型化柴油机142增压小型化小型化使摩擦损失减少发动机的负荷率提高，使效率提高火焰传播距离短，可采用较高压缩比采用缸内直喷，提高压缩比增压在进气量，提高动力性增加减少泵气损失143第5节内燃机的增压

内燃机增压技术概述涡轮增压器的工作特性压气机的工作特性涡轮机的工作特性柴油的我增压技术汽油机的增压技术涡轮增压器与发动机的匹配SUPERCHARGING主要学习内容144内燃机增压概述INTRODUTION一、内燃机的增压定义DefinitionSuperchargingreferstoincreasetheairorfuel-airmixturedensitybyincreasingitspressurepriortoenteringtheenginecylinder145二、内燃机增压的历史1907美国路易斯•雷诺（LouisRenault）

机械增压发动机1915瑞士阿尔弗雷德•波希(AlfredBuchi)

排气涡轮增压发动机现代内燃机增压技术：增压压力、温度、流量排气温度、涡轮转速增压器电子控制技术146机械增压(Mechanicalsupercharging)

发动机输出轴直接驱动机械增压装置，实现对进气的压缩。螺杆式、离心式、滑片式、涡旋式、转子活塞式等压缩机排气涡轮增压(Turbocharging)压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器。排气推动涡轮旋转，带动压气机工作，实现进气增压。定压和脉冲涡轮增压两种。三、内燃机增压的方式

SuperchargingTechnologies1473.气波增压(Comprex)

气波增压器利用排气系统中的压力波动压缩进气。复合增压(CombinedSupercharging)

组合上述多种增压方式，以获得更好的增压效果。涡轮复合(Turbo-compounding)148机械增压器(COMPRESSOR)Twin-screwsupercharger

149机械增压器(COMPRESSOR)150排气涡轮增压(TURBOCHARGOR)151气波增压(COMPREX)152二、增压对内燃机动力性和经济性的影响目的:

提高动力性，并降低排放。BOOSTINGTHEENGINEPOWER153三、发动机增压技术的优势与代价Advantagesanddisadvantages优势代价发动机动力性与经济性提高体积和质量功率密度提高材料利用率提高，成本下降排气噪声降低，高原功率恢复，压力升高率和燃烧噪声降低HC、CO和碳烟排放降低技术适用性广机械负荷及热负荷增加加速响应性能变差对低速转矩有不利的影响增压发动机性能的进一步优化，受到增压器及中冷器的限制。154排气涡轮增压（turbocharging）155一、排气涡轮增压器（TURBOCHARGOR）156工作过程进口段：新鲜充量沿截面收缩的轴向进气道进入工作轮，压力温度略有下降，气流略有加速。叶轮通道：气流进入高速旋转的工作轮上叶片组成的气流通道内，吸收叶轮的机械能，使气体的压力、流动速度和温度均有较大的增长。扩压器：通道流通截面积逐渐增大，气体动能大部分转变为压力能，压力和温度进一步升高，速度下降。集气蜗壳：收集气体向内燃机进气管输送。二、离心式压气机的工作特性CENTRIFUGALCOMPRESSORPEFORMANCE157气体温度、速度和压力变化过程

158压气机中的能量转换COMPRESSOREFFICIENCYEnthalpy-entropydiagram压气机消耗的机械功为：

压气机的等熵效率为：159离心式压气机的特性以流量为横坐标，压比为纵坐标，把不同转速下的压气机特性曲线绘制在一起，其中效率以等值线的形式表示，称为压气机的万有特性。流量特性在同一转速下，压气机增压比和效率随压气机流量的变化关系简称为压气机的（流量）特性。PerformanceofCompressor160压气机损失分析图AnalysisofEfficiency摩擦损失气流内部及气流与工作轮叶片表面、扩压器叶片表面等发生摩擦而产生。转速一定，流量增加，气流速度增大，摩擦加剧，摩擦损失增大而增加。撞击损失气流与叶片撞击造成。设计工况下最小，偏离设计工况撞击损失增加161压气机的喘振（surge）

一定转速下，当压气机的气体流量减小到一定程度后，压气机进口空气流量的变得不稳定或者震荡的状态就叫做喘振。进气在叶轮入口处出现边界层的分离，导致气体回流，扩展到压气机的其他部分，出现强烈的振荡，引起工作轮叶片强烈的振动，并产生很大的噪音的现象。各种转速下出现喘振的工作点联在一起。162喘振的状态用一个统计数喘震值来描述163压气机的喘振（surge）其中σ为连续20个入口压力的标准偏差，m为平均值s<=8%，轻微喘振状态，s>12%严重喘振状态。164压气机的堵塞（CHOKING）某一转速下，当流量增加到一定数值后，压气机的增压比和效率均急速下降，而流量却不会增加的现象。一般当压气机效率低于65％后就认为压气机发生堵塞。增加压气机的转速才能继续增加流量。165压气机的通用特性

（UNIVERSALPERFORMANCEMAP）折合流量:折合转速:根据相似理论，不管压气机进口条件如何，只要马赫数相同，在压气机内的气体流动就相似，流动损失也相似。马赫数表示流动相似不直观，采用与上述相似参数成正比的折合参数来表示。折合参数分别是:166压气机的通用特性曲线167径流式涡轮机的工作原理

喷嘴环是由周向均匀安装、带有一定倾角的多个叶片组成，叶片之间形成渐缩通道。内燃机高温排气流过喷嘴环时被加速，压力、温度下降，速度大大增加，一部分排气能量转化为气流的动能。部分小型涡轮常设计为无叶喷嘴环结构。三、径流式涡轮机的工作原理RADIALTURBINE168压气机中的能量转换（TURBINEEFFICIENCY）涡轮等熵效率：涡轮机功率为：169径流涡轮通用特性(UNIVERSALTURBINEMAP)在一定转速下，随着流量的增加，涡轮机也存在一个堵塞流量。堵塞发生意味着在涡轮的内部某处气流速已达到当地音速。堵塞一般易发生在喷嘴出口截面。170排气涡轮增压系统简介

TURBOCHARGINGSYSTEM

定压涡轮增压系统脉冲涡轮增压系统171一、定压涡轮增压系统

定压增压

把内燃机所有气缸的排气收集到一个体积足够大的排气管内，然后再引入涡轮。由于排气管的稳压作用，涡轮入口处的压力基本不变，故称为定压增压。特点涡轮在定压下全周进气，涡轮效率较高气流引起的激振和冲击小，工作稳定排气系统简单，成本较低，易于布置和维护缺点

脉冲能量的利用率较低，加速性能差。CONSTANTPRESSURETURBOCHARGINGSYSTEM172定压涡轮增压系统能量平衡EnergyAnalysis

173二、脉冲涡轮增压系统排气管短而细，排气系统容积小，排气过程造成涡轮进口压力的周期性脉动。涡轮是在进口压力有较大波动的情况下工作的，所以称为脉冲涡轮增压。PulseTurbochargingSystem脉冲增压缺点特点排气系统容积小，涡轮是在进口压力脉动。节流损失减小，排气能量利用率提高。加速响应快排气系统结构复杂，布置较困难。涡轮受冲击较大，对寿命有一定影响。174三、定压增压与脉冲增压系统的比较性能指标定压增压脉冲增压排气能量利用率－＋扫气作用－＋发动机加速性能－＋涡轮效率＋－增压系统结构＋－COMPARISONOFTURBO-SYSTEM175排气脉冲与发动机的扫气ScavengingPerformance176一、内燃机与涡轮增压器的匹配计算涡轮增压器自由平衡运转时应满足的条件

1.涡轮机和压气机同轴安装。

2.扣除机械效率，涡轮机的输出功率与压气机的消耗功率相等。

3.通过压气机和涡轮机的气体质量流量有如下关系：

推导建立定压涡轮增压器的基本方程利用已知特性参数进行匹配计算

涡轮增压器与发动机的匹配

Engine&TurboMatching177二、柴油机与涡轮增压器联合运行特性1—2—3—外特性4—螺旋桨特性线5—喘振边界6—最高转速线7—最高排温线8—最低效率线178三、涡轮增压器与内燃机的匹配流量范围的选择：通常是指从喘振线至某一效率等值线或堵塞线所包括的区域。联合运行线的调整：调整涡轮增压器的某些结构参数，如增大涡轮喷嘴环出口截面积等，将发动机的联合运行线向右移动，使其离开喘振线而进入正常的工作区域。喘振线位置的调整：采用改变叶片扩压器喉口面积的办法来控制喘振线的左右移动。还可以通过改变涡轮喷嘴环的出口流通面积、改变运行线的方法适应压气机的特性曲线。压气机堵塞的控制：适当增大叶片扩压器喉口面积和叶轮喉口面积，可以提高压气机的堵塞流量。

涡轮增压器超速和增压压力的调整：采用增大涡轮喷嘴面积的方法，减小涡轮前的排气能量，可克服增压器的超速问题。179四、压气机流量范围的调整

调整涡轮增压器的某些结构参数，如增大涡轮喷嘴环出口截面积等，将发动机的联合运行线向右移动，使其离开喘振线而进入正常的工作区域。180五、内燃机的增压改造EngineRetrofitforBoosting压缩比过量空气系数供油系统配气相位进排气系统

增压空气冷却第四章内燃机的燃料4.1石油基燃料及标准4.2汽油的性能指标4.3柴油的性能指标4.4内燃机的替代燃料4.5燃料燃烧化学4.6燃料的生命周期评价182汽柴油的标准石油基燃料概述

主要学习内容第一节石油基燃料及标准一、石油Petroleum

石油又称原油，是从地下深处开采的棕黑色可燃粘稠液体。石油是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成的混合物，属于化石燃料的一种。石油基液体燃料主要由碳（83%~87%）、氢（11%~14%）两种元素构成，含少量的硫（0.06%~0.8%）、氮（0.02%~1.7%）、氧（0.08%~1.82%）及微量金属元素（镍、钒、铁等）.石油的性质因产地而异，密度为0.8~1.0克/厘米3，粘度范围很宽，凝固点差别很大（30~-60°C），沸点范围为常温到500℃以上，可容于多种有机溶剂，不溶于水，但可与水形成乳状液。组成石油的烷烃、环烷烃、芳香烃三类。通常以烷烃为主的石油称为石蜡基石油；以环烷烃、芳香烃为主的称环烃基石油；介于二者之间的称中间基石油。

石油产品

PetroleumChemicals

石油产品可分为：石油燃料、石油溶剂与化工原料、润滑剂、石蜡、石油沥青、石油焦等6类。其中，各种燃料产量最大，约占总产量的90%；各种润滑剂品种最多，产量约占5%。

汽油:沸点范围(馏程)30~205℃,密度0.70~0.78柴油:轻柴油、重柴油，沸点180~370℃和350~410℃喷气燃料：航空汽油，沸点60~280℃燃料油：石油溶剂：润滑油：沥青等石油产品的加工PetroleumProduction常压蒸馏和减压蒸馏：

原油的脱盐、脱水常压蒸馏；减压蒸馏(常压塔高瘦，减压塔矮胖）催化裂化加氢裂化产品精制

酸精制（硫酸）除去某些含硫化合物、含氮化合物和胶质。碱精制用烧碱水溶液处理油品，除去含氧化合物和硫化物；除去酸精制时残留的硫酸。脱臭是针对高硫油制成的汽、煤、柴油，因含硫醇而产生恶臭。加氢在催化剂作用下，除去含硫、氮、氧的化合物和金属杂质脱蜡分子筛吸附航空煤油、柴油等中的石蜡白土精制用白土（二氧化硅和三氧化二铝）吸附有害物质调合、添加添加剂外等

二、汽油与柴油的标准车用燃料质量标准有美国、欧洲、日本及《世界燃油规范》四大体系187欧盟汽油标准的演变188欧盟柴油标准的演变189车用汽油标准2000年：无铅汽油2010年：国三车用汽油标准2014年：国四车用汽油标准2016年：国五车用汽油标准2023年：国六B车用汽油标准我国汽柴油标准的演变车用柴油标准2011年：国三车用柴油标准2015年：国四车用柴油标准2017年：国五车用柴油标准2029年：国六车用柴油标准190第二节汽油的性能指标主要学习内容汽油的主要性能指标汽油的性能指标评价GASOLINEPROPERTIES191汽油的主要性能指标国五汽油的主要性能指标192汽油性能指标评价汽油的蒸发性评价馏程蒸汽压汽油的抗爆性评价RON、MON抗爆指数汽油的蒸发性评价193馏

程汽油的蒸发性评价馏

程19410%蒸发温度/℃50%蒸发温度/℃90%蒸发温度/℃终馏点/℃残留量（体积分数）/%

≯701201902052汽油的蒸发性评价195饱和蒸汽压汽油的蒸发性评价196Reid蒸汽压（Reidvaporpressure）汽油的蒸发性评价197Reid蒸汽压（Reidvaporpressure）加热温度：（37.8±0.1）℃（100℉）燃料与蒸汽的体积比：1:4蒸汽压：11月1日至4月30日5月1日至10月31日45-85kPa40-65kPa汽油的抗爆性评价198研究法辛烷值（RON）试验条件：室温进气

转速600r/min马达法辛烷值（MON）试验条件：进气加热149℃

转速900r/min

汽油的抗爆性评价199辛烷值标准燃料：异辛烷和正庚烷异辛烷（iso-octane,2,2,4—三甲基戊烷），辛烷值定为100。正庚烷（n-heptane）：抗爆性差,辛烷值定为0。燃料的灵敏度=RON-MON抗爆指数=(RON十MON)/2200

第三节柴油的性能指标柴油的性能指标柴油性能指标的评价主要学习内容MEASURESTOIMPROVEVOLUMETRICEFFICIENCY201柴油的主要性能指标国五柴油的主要性能指标202柴油性能指标评价自燃着火性能评价流动性评价润滑性评价柴油的自燃着火性能评价203喷油提前角：13ºCABTDC转速：900r/min等标准条件滞燃期：13±0.2°柴油的自燃着火性能评价十六烷值204标准燃料：

正十六烷（n-cetane），十六烷值为100。七甲基壬烷（heptamethylnonane,HMN）十六烷值15CN=47~51柴油流动性评价2051.凝点与冷滤点凝点：柴油不能流动的最高温度。冷滤点：在规定条件下柴油不能通过滤网的最高温度。

标号50-10-20-35-50运动粘度(20℃)/(mm2/s)

3.0-8.02.5-8.01.8-7.0凝点/℃≯50-10-20-35-50冷滤点/℃≯84-5-14-29-44柴油流动性评价2062.粘度：20℃运动粘度分为3个等级3.0~8.0mm2/s2.5~8.0mm2/s使用温度依次降低1.8~7.0mm2/s柴油的润滑性评价207高频往复试验机(high-frequencyreciprocatingrig，HFRR)

球与片的接触界面应完全浸在测试油样的油槽内。试验温度：60℃）；复频率：50Hz；冲程：1.0mm；时间：75min；加载：200g显微镜测量钢球上的磨斑直径x和y，校正磨斑直径<460μm柴油的粘度与润滑性208粘度：

柴油的供给（压力与泄漏）

喷射雾化与燃烧

润滑性润滑性：燃油系统可靠性与寿命第四节内燃机的替代燃料AlternativeFuelOverview资源是否丰富、稳定，最好能够再生；生产工艺简单，投资不大，燃料成本低；与现有内燃机技术体系和基础设施的兼容；生产过程对环境友好；可显著改善内燃机的尾气排放；对内燃机的动力性和经济性影响不大，能有所改进更好。选择原则

分类

醇、醚、酯类等含氧燃料合成油气体燃料自燃温度、辛烷值、十六烷值、与汽油或柴油的互溶性与稳定性；低热值，化学计量空燃比；燃料的粘度与润滑性；与弹性密封材料的兼容性；燃料本身及燃烧排放物的毒性；燃料本身的生物降解性.选用燃料的重要参数含氧燃料OxygenatedFuel

二甲醚

生物柴油

醇类燃料醇类燃料Alcohols醇类燃料：甲醇、乙醇和生物丁醇

燃料性能：小分子，高含氧，辛烷值高适合点燃式应用

醇类燃料Alcohols内燃机应用：

汽油掺混；单独作为点燃式发动机燃料双燃料，如柴油引燃

二甲醚

Dimethylether,DME性

能二甲醚柴油沸点

（0.1Mpa，℃）-24.8180密度（kg/m3）670830气化热（-20℃，kJ/kg）460290自燃温度（℃）235250十六烷值6350空燃比9.014.3低热值（MJ/kg）31.7543.0运动粘度（mm2/s）0.153.0二甲醚

Dimethylether,DME二甲醚

Dimethylether,DME二甲醚燃料特性二甲醚的十六烷值比一般柴油高，自燃温度比一般柴油低，因此它特别适合作为柴油的替代燃料使用，它滞燃期短，有利于减少NOx排放和降低燃烧噪声。二甲醚分子结构中没有C-C键，只有C-H和C-O键，此外它含氧34.8%，因此在任何工况下均可实现无烟燃烧。二甲醚蒸发潜热约为柴油的1.6倍,它有利于降低气缸内燃烧的最高温度，使NOx排放下降。二甲醚的沸点低，喷入气缸后可立即气化，因此二甲醚对喷油系统的喷射压力要求不高。二甲醚的热值低，密度小，燃料循环供给量较大。二甲醚的润滑性差，需要重点考虑燃料系统润滑性问题。二甲醚发动机可以通过EGR控制NOx排放，而不会造成PM排放的增加。由DOC进行后处理，从而满足欧VI排放。生物柴油bio-diesel

生物柴油应用浊点、凝点或冷滤点较高，低温流动性差。氧化安全性差，易产生胶质。发动机容易形成积碳，导致磨损增加。生物柴油对重型发动机排放的影响

排放变化率

生物柴油的体积百分比合成油CTL（Coal-to-liquid）合成方法：直接液化与间接液化（F-T）直接液化450℃，20MPa分离催化剂直接液化合成油的芳烃含量较高。F—T反应F-T合成油低温特性较差。润滑性较差。对浸油弹性体有影响。直链饱和烃和分支异构饱和烃，烯烃含量较少，硫含量极少，十六烷值高。密度比柴油小，但低热值比柴油高，两者乘积之比为0.96，因此在使用合成油时，燃油系统不必作更多的改动。合成油可以和普通柴油以任何比例互溶，成为混合油。

发动机燃用合成油与常规柴油时NOx和PM排放的变化绝大部分数据点都位于NOx和PM同时降低的方框内;NOx平均降低13%,PM平均降低26%。GaseousAlternativeFuel天然气氢气液化石油气气体替代燃料第五节内燃机的燃料燃烧化学空燃比燃料热值EngineFuelCombustionChemistry主要学习内容燃烧温度燃料燃烧空燃比化学计量空燃比StoichiometricAirFuelRatio

当燃料在空气中燃烧时，一定质量空气中的氧刚好使一定质量的燃料完全燃烧，即将碳氢燃料中所有的碳、氢完全氧化成二氧化碳和水，而空气中的氮并不参与反应，则此时的空气与燃料的质量或物质的量的比称为燃料燃烧的化学计量空燃比（理论空燃比）。

为方便计算，简单地认为空气中除氧气外，其余均为氮气，因此空气中1摩尔的氧气，就对应有（1―0.2095）/0.2095=3.773摩尔的氮气。gasvol.%molarwt.O220.9531.998N278.0928.012Ar0.9338.948CO20.0344.009Air100.0028.962空气的成分理论空燃比的计算Calculationof(A/F)st甲烷在空气中的燃烧CH4+2(O2+3.773N2)=CO2+2H2O+7.546N2+热量16275.31l0则l0=275.3/16=17.2CHO燃料理论空燃比计算通式1kg燃料完全燃烧所需的理论空气质量记：则：汽油中C:H:O三种元素的质量比为0.855:0.145:0。柴油的C:H:O三种元素的质量比为0.870:0.126:0.004。

汽柴油的理论空燃比汽油：柴油：空燃比AirFuelRatio

实际燃料在空气中燃烧时，空气与燃料的质量比。过量空气系数Excessive

AirFuelRatio在标准状态下（1大气压，298.15K），每千克燃料完全燃烧所放出的热量称为燃料的热值。内燃机的燃料含有一定量的氢元素，若将燃烧生成的水蒸气冷凝成液态的水，由于水蒸气要释放出汽化潜热，所测量的燃料热值就高，称为高热值，反之，若燃烧生成的水以蒸气状态存在，所获得的热值称为低热值在内燃机实际工作状态下，缸内气体温度高，水蒸汽的汽化潜热是不可能被利用的，因此一般所说的燃料热值指的是燃料的低热值。燃料的热值在数值上等于燃烧反应的焓降，即生成物的生成焓与反应物生成焓的差，但符号相反。燃料的热值HeatingValue汽柴油几个热值参数残余废气系数ResidualGasRatio

内燃机缸内存在一定量的残余废气，或有时为了控制最高燃烧温度，引入废气再循环，使缸内气体成分和性质发生一些变化。

发动机每循环缸内气体的总质量为m0，由本循环吸入的新鲜充量m1，上一循环残留在缸内的废气mr残余废气系数定义为

在本循环吸入的新鲜充量m1中，若其中一部分是来自发动机的排气，以稀释可燃混合气的浓度，控制NOx的生成与排放，称为废气再循环。废气再循环率的定义为参与再循环的废气量mEGR占新鲜充量m1的百分比，即废气再循（EGR）率EGRRatio第五节替代燃料的生命周期分析

AlternativeFuelLifeCycleAssessment(LCA)车用燃料的生命周期评价是指对能源的开采、加工,燃料的生产、运输,车辆使用过程中燃料的消耗,直至车辆报废后的后处理全过程的环境影响评价，理论界将汽车燃料生命周期评价形象地称为从“井口”到“车轮”的分析(WTW，fromWelltoWheel)。车用燃料生命周期阶段划分各种燃料路线生命周期能耗和

温室气体排放预测第五章内燃机混合气的形成与燃烧5.1内燃机缸内的气体流动5.2汽油机混合气的形成燃烧5.3点燃式内燃机的燃烧5.4压燃式内燃机的燃烧MixtureFormationandCombustionofICEngine主要学习内容第一节内燃机中的气体流动挤流Squish滚流Tumble湍流Turbulence涡流SwirlCHARGEMOTIONINCYLINDER主要学习内容汽油机的燃烧

预混可燃混合气火花点燃火焰传播柴油机的燃烧

空气+燃油缸内直喷压燃预混＋扩散燃烧进气流动CHARGEMOTION

气流运动促进燃烧气流运动促进混合和燃烧一、产生方法在进气过程中形成的绕气缸轴线有组织的气流运动。导气屏切向气道螺旋气道进气涡流(Inletswirl)进气速度分布二、进气涡流的形成机理(Inletswirlmechanism)1、螺旋气道（Helicalport）进气在流过气道螺旋腔后拥有绕气门中心线的角动量矩。进入气缸的出口速度场相当于在均匀径向速度分布的基础上，增加一个切向速度场。进入气缸扩散为绕气缸中心的动量矩。能形成不同强度的进气涡流。2、切向气道（Tangentport）呈渐缩状气道，进气流动速度因流通截面积逐渐减小而增加。高速气流被切向引导进入气缸后，气流速度场不均，相当于在均匀速度分布的基础上，增加一个沿切向气道方向的速度场。切向气流在缸套壁面的导向作用下，形成绕气缸中心的进气涡流。切向气道结构简单，一般只能形成较低的进气涡流。3、可调进气涡流(VARIABLEINLETSWIRL)螺旋气道＋直气道(切向气道)直气道内安装涡流控制阀(SCV)控制直气道的进气量螺旋气道进气量的改